CC BY
130
Приборы и методы измерений Devices and Methods of Measurements
2016. - Т. 7, № 1. - С. 41-49 2016, vol. 7, no. 1, pp. 41-49
Гайдук Ю.С. и др. Haiduk Yu.S. et al.
УДК 544.22+544.08
Газовые датчики на основе композиции оксида вольфрама и многостенных углеродных нанотрубок
Гайдук Ю.С.1, Реутская О.Г.2, Савицкий А.А.1, Таратын И.А.3
1 Белорусский государственный университет, ул. Ленинградская, 14, 220008, г. Минск, Беларусь
2Белорусский национальный технический университет, ул. Я. Коласа, 22, 220013, г. Минск, Беларусь
Минский НИИ радиоматериалов,
ул. Кижеватова, 86, 220024, г. Минск, Беларусь
Поступила 11.03.2016 Принята к печати 20.04.2016
Методами просвечивающей электронной микроскопии, измерения электропроводности и удельной поверхности исследована газочувствительная композиция оксида вольфрама с многостенными углеродными нанотрубками (WO3-MYHT), представляющая интерес для создания селективных чувствительных датчиков горючих газов и диоксида азота. Изготовлены и испытаны датчики (P < 85 мВт), содержащие WO3-MYHT в качестве чувствительного элемента. Наибольшая чувствительность к пропану (< 400 %) наблюдается при температуре подложки менее 200 °С, в то время как заметная чувствительность к NO2 (> 300 %) наблюдается при более высоких температурах (T > 240 °С). Введение МУНТ не оказывает существенного влияния на чувствительность к водороду во всем исследованном температурном интервале, соответствующем токам нагрева 21-75 мА. Чувствительность к NO2 при температуре 240 °С и выше (при токе нагрева 61 мА и выше) превышает 1000 %. Исследованная композиция оксида вольфрама с МУНТ пригодна для создания высокочувствительных полупроводниковых датчиков горючих газов и диоксида азота, в том числе для работы в составе приборов, предназначенных для экологического мониторинга воздуха. Датчики обладают высокими скоростями срабатывания и восстановления, а также низким энергопотреблением.
Ключевые слова: газовый сенсор, золь-гель метод, вольфрама триоксид, индия оксид, углеродные нанотрубки.
DOI: 10.21122/2220-9506-2016-7-1-41-49
Адрес для переписки: Гайдук Ю.С.
Белорусский государственный университет, ул. Ленинградская, 14, 220008, г. Минск, Беларусь е-таИ:;_Иа]^ик@Ьк.ги
Address for correspondence:
Haiduk Yu.S.
Belorussian State University, Leningradskaya str., 14, 220008, Minsk, Belarus e-mail: [email protected]
Для цитирования:
Гайдук Ю.С., Реутская О.Г., Савицкий А.А., Таратын И.А.
Газовые датчики на основе композиции оксида вольфрама и
многостенных углеродных нанотрубок.
Приборы и методы измерений.
2016. - Т. 7, № 1. - С. 41-49.
DOI: 10.21122/2220-9506-2016-7-1-41-49
For citation:
Haiduk Yu.S., Reutskaya O.G., Savitsky A.A., Taratyn I.A. [Micropower gas sensor based on the composition tungsten oxide and multiwall carbon nanotubes].
Pribory i metody izmerenij [Devices and Methods of Measurements]. 2016, vol. 7, no. 1, pp. 41-49 (in Russian). DOI: 10.21122/2220-9506-2016-7-1-41-49
Введение
Полупроводниковые газовые датчики широко применяются для анализа газовых смесей в составе газоанализаторов различного назначения (экологический мониторинг, контроль воздушной среды на промышленных предприятиях, определение состава выхлопных газов), а также в научных исследованиях [1]. Наиболее распространены чувствительные слои на основе оксидов 1п203, WO3, 2п0, SnO2, которые применяются как в чистом виде, так и с различными добавками. В последнее время наблюдается повышенный интерес к углеродным нанотрубкам (УНТ) как к электроно- и каталитически активному материалу для газовых датчиков. Высокая активность некоторых одностенных и многостенных углеродных нанотрубок (МУНТ) обусловлена их особыми электронными свойствами и высокой удельной поверхностью. Нанотрубки способны повышать скорость каталитических реакций на поверхности оксида металла, изменять величину и характер электрической проводимости полупроводникового оксида. Согласно литературным данным, добавка МУНТ к полупроводниковому оксиду (обычно 1-3 % мас.) способна приводить как к увеличению, так и к снижению его удельного электрического сопротивления и газовой чувствительности. Чувствительные элементы газовых датчиков могут быть созданы на основе чистых микро- и нанотрубок, но чаще их применяют в составе композиций с полупроводниковыми оксидами [2-6].
В работе [7] проведено изучение морфологических и физико-химических свойств МУНТ, установлено существенное возрастание газовой чувствительности оксида вольфрама при введении в его состав по специальной процедуре небольшого количества нанотрубок. Целью настоящей работы являлось исследование морфологических свойств композиции WО3 с УНТ, изучение чувствительности композиции к газовоздушным смесям различной природы, изучение эксплуатационных свойств датчиков, изготовленных с применением данной композиции.
Методика эксперимента
Оксид вольфрама WO3 получали из 1,23 М водного раствора вольфрамата натрия х 2Н20 путем капельного вливания в
12 M раствор азотной кислоты при постоянном интенсивном перемешивании, выдерживали 6 ч в маточном растворе и отмывали от примесей электролитов многократным центрифугированием. Для получения композиционного материала на основе WO3, содержащего 2,1% мас. неочищенных МУНТ, взвесь МУНТ выдерживали при интенсивном перемешивании в растворе HNO3 (90 °С), после чего капельно добавляли раствор вольфрамата натрия [7].
Газовые датчики были изготовлены по стандартной технологии следующим образом: на подложку из нанопористого (поры 10-70 нм) анодного оксида алюминия с двух сторон осаждалась методом магнетронного распыления платина. Затем производились процессы двусторонней фотолитографии, ионно-лучевого травления платины с целью формирования нагревателей и электродов, химического травления подложки для разделения на кристаллы заданного размера с одновременным формированием в них мембраны и сквозных участков, разварки в корпус платиновой проволоки диаметром 20-35 мкм, нанесения чувствительных слоев, приклеивания газопроницаемого колпака с сеткой из нержавеющей стали.
Газочувствительные слои толщиной 2025 мкм формировали капельным методом, нанося коллоидный раствор из микродозатора на нагретую подложку, и вжигали на воздухе в течение 72 ч при токе 75 мА (> 400 °С). Чувствительность (сенсорный отклик) S, % определяли по формуле: S = (Ra - Rg)/Ra х 100% при воздействии газовоздушной смеси, содержащей водород, и по формуле: S = (Rg - R)/Ra х 100% при воздействии газовоздушных смесей, содержащих пропан или
диоксид азота. В обеих формулах R и R - элек-
а g
трическое сопротивление газочувствительного слоя на воздухе и при воздействии газовоздушной смеси соответственно.
Температура газочувствительного слоя контролировалась ИК-пирометром «Luma Sense Technology» (минимальная измеряемая температура 200 °С, точность 2 °С до 400 °С, 0,3 % измеряемой величины + 1 °С выше 400 °С).
Удельную поверхность порошков WO3 и WO3-MyHT определяли методом низкотемпературной адсорбции азота на установке Клячко-Гурвича [8].
Электрическое сопротивление образцов оксида вольфрама и композиции оксида вольфрама с МУНТ в интервале 100-400 °С измеряли в корундовой ячейке для измерения электропро-
водности двухзондовым методом, помещенной в трубчатую печь, подключенную к терморегулятору. Образцы в виде цилиндров (диаметр 8 мм, толщина 3,5 мм, масса 0,7-0,8 г) прессовались из предварительно отожженных на воздухе порошков (400 °С, 2 ч) с применением органического связующего (канифоль) на гидравлическом прессе (давление 150 кПа) и спекались на воздухе при 400 °С (5 ч). Для улучшения контакта на обе стороны образца наносилась серебряная паста. Электрическое сопротивление в режиме нагрева и охлаждения измеряли при помощи цифрового ампервольтметра В7-40, температура контролировалась при помощи хромель-алюмелевой термопары, закрепленной непосредственно вблизи образца.
По данным просвечивающей электронной микроскопии, установлено, что конечный продукт сгорания в плазме высоковольтного разряда атмосферного давления смеси углеводородов представляет собой МУНТ с примесью аморфного углерода различных модификаций. МУНТ имеют диаметр 22-63 нм и длину до 10 мкм. Активное окисление неочищенных МУНТ на воздухе начинается выше 450 °С [7].
Измерение температурной зависимости электропроводности в интервале 100-400 °С показывает, что МУНТ обладают собственной электрической проводимостью, а добавка их к оксиду вольфрама в количестве 2,1% мас. приводит к увеличению электрической проводимости оксида вольфрама во всем температурном интервале (рисунок 1а). Однако выше 350 °С этот эффект выражен незначительно, и кривые температурной зависимости электропроводности практически совпадают. Указанный эффект может приводить к смещению области высокой газовой чувствительности оксида вольфрама (от 180 °С) к более низким температурам. Аналогичный эффект наблюдается при добавлении к оксиду вольфрама сопоставимых по массе с 2,1% МУНТ добавок серебра и благородных металлов [9]. Анализ литературы свидетельствует, что для существенного повышения газоадсорбционных свойств и электропроводности полупроводникового оксида металла обычно достаточно 0,1-2% мас. добавки очищенных УНТ, причем оптимальное количество добавки в данном интервале зависит от выбранного оксида металла [10]. На основании исследования температурной зависимости электрического сопротивления для изготовления
датчиков нами выбрано значение концентрации добавки, равное 2,1% мас. МУНТ, поскольку указанное количество добавки приводит к заметному увеличению электрической проводимости в интервале 120-250 °С, соответствующем рабочим температурам датчика, а добавка 1,1% мас. и менее оказывает незначительное влияние.
b
Рисунок 1 - a - электрическое сопротивление композиции оксида вольфрама с многостенными углеродными нанотрубками (1) в сравнении с чистым оксидом вольфрама (2) в интервале 100-400 °С; b - электрическое сопротивление газочувствительного слоя датчика в зависимости от тока нагрева на воздухе Figure 1 - а - the electrical resistance of the tungsten oxide composition with multi-walled carbon nanotubes (1) in comparison with a pure tungsten oxide (2) in the range of 100-400 °C; b - electric resistance of the gas sensor layer as a function of the heating current in air
По данным просвечивающей электронной микроскопии (рисунок 2) полученный по методике [7] композиционный материал представляет собой конгломерат различных по форме и размеру частиц в несколько микрометров, в свою
а
очередь состоящих из спекшихся однородных по размеру частиц WO3 размером преимущественно 0,2-2 мкм и более. Удельная поверхность WO3 с добавлением 2,1% мас. МУНТ изменяется от 30,9 до 41,3 г/м2. Данные значения сопоставимы с характеристиками известных чувствительных датчиков на основе SnO2, WO3 и др.
Рисунок 2 - Изображение порошка композиции оксида вольфрама с многостенными углеродными нано-трубками, отожженного 2 ч при 400 °С, полученное методом просвечивающей электронной микроскопии
Figure 2 - Image powder of composition of tungsten oxide with multiwall carbon nanotubes, annealed for 2 hours at 400 °C, obtained by transmission electron microscopy
Обсуждение результатов
Изготовленные датчики для определения диоксида азота и горючих газов представляют собой подложку из наноструктуированного пористого оксида алюминия, находящуюся в пластмассовом цилиндрическом корпусе диаметром 12,75 и высотой 6,9 мм, с выведенными наружу четырьмя металлическими электродами. На одной стороне подложки размещены две пары измерительных электродов, с зазором 25 мкм в каждой паре. На противоположной стороне подложки сформированы платиновые нагревательные элементы. Чув-
ствительные слои формируются поверх измерительных электродов.
Топология кристалла газового датчика представлена на рисунке 3. Подложка нанопористого анодного оксида алюминия (пористость ~ 15-35 %) имеет размер 1,25 х 1,25 мм и толщину 60 мкм. Площадка под каждым чувствительным элементом имеет размер 275 х 200 мкм. При изготовлении датчиков использовалась разработанная в Минском НИИ радиоматериалов технология микромеханической обработки нанопористо-го анодного оксида алюминия.
а b
Рисунок 3 - Топология кристалла газового датчика: а - измерительные электроды; b - нагреватели Figure 3 - Gas sensor chip topology: a - measuring electrodes; b - heaters
Зависимость электрического сопротивления датчиков от тока нагрева на воздухе представлена на рисунке 1 b.
Кривые чувствительности датчиков к ряду газовоздушных смесей представлены на рисунке 4. Из характера представленной зависимости следует, что добавка 2,1% мас. МУНТ приводит к заметному росту чувствительности к газовоздушным смесям, содержащим как пропан, так и диоксид азота. Рост чувствительности зависит от тока нагрева (температуры подложки) и неодинаков для различных газов. Чувствительность к 3,6 ppm пропана выше при низких токах нагрева и монотонно снижается с увеличением рабочей температуры (рисунок 4b), в то время как чувствительность к 4 ppm диоксида азота при низких рабочих температурах невелика. Выше 61 мА начинается экстремальный рост чувствительности к 4 ppm NO2, превышающей 1000%. Данный интервал, вероятно, выходит за пределы рабочей температуры датчиков на использованных подложках (токи нагрева 31-51 мА), и полноценная его реализация требует использования подложек, позволяющих использовать более высокие токи нагрева. Столь высокая чувствительность к NO2 материалов, содержащих УНТ, отмечалась ранее в работе [10].
25020015010050 -0
400-
300
200-
100-
50
100 a
150
200
10
30
40
50
Рисунок 4 - Чувствительность (сенсорный отклик) датчика к газовоздушным смесям: а) 1 - WO3, 4 ppm NO2, ток нагрева 51 mA; 2 - WO3 + 2,1% мас. МУНТ, 100 ppm H2, ток нагрева 41 мА; 3 - WO3 + 2,1% мас. МУНТ, 4 ppm NO2, ток нагрева 41 mA; b) WO3 + 2,1% мас. МУНТ, 4 ppm NO2, ток нагрева 61 mA; c) WO3 + 2,1% мас. МУНТ, 3,6 ppm С3Н8: 1 - ток нагрева 41 mA;
2 - ток нагрева 51 mA; 3 - ток нагрева 61 mA
Figure 4 - The sensitivity (touch response) of the sensor to the gas mixture: a) 1 - WO3, 4 ppm NO2, heating current 51 mA; 2 - WO3 + 2,1% by weight. MWCNTs, 100 ppm H2, heating current 41 mA; 3- WO3 + 2,1% by weight. MWCNTs, 4 ppm NO2, heating current 41 mA; b)1 - WO3+ 2,1 % by weight. MWCNTs, 4 ppm NO2, heating current 61 mA; c) WO3 + 2,1 % by weight. MWCNTs, 3,6 ppm S3H8: 1 - heating current 41 mA; 2 - heating current 51 mA; 3 - heating current 61 mA
Известно также [10], что в большинстве случаев экстремально высокая чувствительность к NO2 материалов, содержащих УНТ, сопровождается также возрастанием времени восстановления (т90), что наблюдается и в нашем случае. На рисунке 4Ь видно, что т90 превышает 400 с.
Введение в оксид вольфрама добавки МУНТ не оказало сколько-нибудь заметного воздействия на чувствительность к водороду во всем исследованном температурном интервале (токи нагрева 21-75 мА). На рисунке 4а (кривая 2) представлена зависимость выходного сигнала датчика к газовоздушной смеси, содержащей 100 ррт Н2. Величина сенсорного отклика не превышает 15%, что практически совпадает с данными для слоев на основе чистого оксида вольфрама. Датчики горючих газов (водород и углеводороды) применяются с целью контроля загазованности и обеспечения пожаровзрывобезопасности при использовании газов на производстве, при хранении и транспортировке. Широко применяемые в соответствующих приборах чувствительные слои на основе оксидов олова и индия обладают чувствительностью к водороду, которая часто превышает чувствительность к углеводородам. Поэтому низкая чувствительность к водороду позволяет повысить селективность датчиков, содержащих в составе чувствительного элемента МУНТ, к углеводородам. Полученный результат согласуется с известными данными о природе газочувствительности УНТ, в соответствии с которыми СО, Н20 и двухатомные газы, включая водород, не способны к химической адсорбции на поверхности УНТ [11]. Известно, однако, что активация УНТ платиной или палладием значительно повышает чувствительность содержащих УНТ материалов к водороду [12].
Наблюдаемое отношение чувствительности к диоксиду азота к чувствительности к пропану К = (N0^ /Б (С3Н8) >> 2 также позволяет производить их раздельное определение в диапазоне низких и сверхнизких концентраций.
Исследованные датчики обладают удовлетворительными временами срабатывания, составляющими в оптимальных режимах до 10 с для пропана, до 15 с для диоксида азота (см. рисунок 4). Это более низкие значения, чем при использовании в данной конструкции датчика чистого оксида вольфрама (30 с и более). Время восстановления т90, за которое принято принимать время достижения 90 % исходного сопротивления чувствительного слоя, составляет при токе нагрева 51 мА в
b
c
случае диоксида азота 8-10 с, для пропана - 7 с, для водорода - более 200 с при использовании датчиков на основе модифицированного МУНТ оксида вольфрама. Датчик, содержащий чистый оксид вольфрама, имеет соответствующие значения, равные 10-12 с (рисунок 4а, кривая 1).
Указанные значения также соответствуют показателям, предъявляемым к современным полупроводниковым газовым датчикам. Кроме того, датчики характеризуются сравнительно низким энергопотреблением (до 85 мВт при токе нагрева 61 мА). Току нагрева 61 мА соответствует температура чувствительного элемента ~ 240 °С. При 41 мА показания пирометра отсутствуют (температура менее 200 °С).
В области наиболее высокой чувствительности к диоксиду азота, которая начинается от 61 мА ^ = 1000 % и выше) время срабатывания датчика (достижения максимального сигнала) составляет 15 с, а время восстановления т90 существенно возрастает (более 400 с при токе нагрева 61 мА, см. рисунок 4Ь).
Таким образом (рисунок 4), добавка 2,1% МУНТ к оксиду вольфрама позволяет получить материал с высокой чувствительностью ^ < 250 %) как к пропану, так и диоксиду азота.
В литературе обсуждается несколько вероятных причин увеличения газовой чувствительности полупроводникового оксида при введении добавки УНТ: образование ^-«-перехода между оксидным «-полупроводником и ^-УНТ, ориентированный рост нанокристаллов оксида вдоль УНТ в процессе отжига (приводящий к увеличению количества носителей заряда вблизи границы раздела оксид-МУНТ), увеличение удельной поверхности композита по сравнению с чистым оксидом из-за формирования выступов УНТ. Все перечисленные факторы могут в разной степени проявляться и в нашем случае. Существенное повышение чувствительности к диоксиду азота и к пропану при отсутствии повышения чувствительности к водороду свидетельствует о преимущественной реализации механизма переноса заряда между молекулами газа и МУНТ: рост сопротивления вызван тем, что данные газы выступают в качестве донора электронов к УНТ, приводя к снижению концентрации проводящих отверстий на УНТ. В то же время сравнительно небольшое снижение сопротивления при воздействии газовоздушной смеси, содержащей водород, следует связывать с физической адсорбцией молекул Н2
на стенках УНТ. Адсорбированные молекулы выступают при этом дополнительными центрами рассеяния, увеличивая продолжительность жизни (подвижность) носителей заряда, электронов и дырок [13]. Кроме этого, мы предположили [7], что наблюдаемые эффекты, связанные с изменением характера газовой чувствительности, могут быть объяснены также образованием токопрово-дящих каналов, сформированных МУНТ в толще оксидной матрицы. Наличие таких каналов способно увеличить диффузию молекул газа на поверхности WO3, увеличить число носителей заряда на межфазной поверхности и тем самым способствовать ускорению течения газочувствительных реакций.
Заключение
Получена и исследована газочувствительная композиция оксида вольфрама с многостенными углеродными нанотрубками. За счет добавки 2,1 % мас. углеродных нанотрубок, обладающих высокими электропроводностью и каталитической активностью, происходит существенное увеличение газовой чувствительности оксида вольфрама.
Исследованная композиция пригодна для создания высокочувствительных полупроводниковых датчиков горючих газов и диоксида азота, позволяющих их раздельное определение. Высокая чувствительность (от 250% и выше) позволяет использовать изготовленные датчики в составе приборов для экологического мониторинга воздуха, поскольку порог чувствительности изготовленных датчиков к NO2 и горючим газам лежит значительно ниже соответствующих предельно допустимых концентраций (максимально разовая предельно допустимая концентрация составляет 0,1 ррт, среднесуточная - 0,02 ррт). Датчики обладают высокими скоростями срабатывания (8-10 с для пропана и диоксида азота при токе нагрева 41 мА) и низким энергопотреблением (25 мВт при токе нагрева 41 мА, 85 мВт при токе нагрева 61 мА).
Дальнейшее улучшение свойств газочувствительной композиции уместно связывать прежде всего с использованием методик функционали-зации поверхности многостенных углеродных нанотрубок до или в процессе формирования ге-терокомпозита путем обработки кислотами или кислородом, диспергированием многостенных углеродных нанотрубок в процессе синтеза воль-
фрамовой кислоты воздействием ультразвука, подбором оптимальной концентрации многостенных углеродных нанотрубок в зависимости от целевого газа (паров органических соединений).
Список использованных источников
1. Полупроводниковые сенсоры в физико-химических исследованиях / И.А. Мясников [и др.] ; под общ. ред. Л.Ю. Куприянова. - М. : Наука, 1991. - 327 c.
2. Trojanowicz, М. Analytical applications of carbon nanotubes: a review / M. Trojanowicz // TrAc Trends Anal. Chem. - 2006. - Vol. 25. - P. 480-489.
3. Roy, R.K. Room temperature sensor based on carbon nanotubes and nanofibres for methane detection / R.K. Roy, M.P. Chowdhury, A.K. Pal // Vacuum. - 2005. -Vol. 77. - P. 223-229.
4. Peng, S. K. Ab initio study of CNT NO2 gas sensor / S. Peng fct al.] // Chem. Phys. Lett. - 2004. -Vol. 387 - P. 271-276.
5. Wei, B.Y. A novel SnO2 gas sensor doped with carbon nanotubes operating at room temperature / B.Y. Wei fct al.] // Sens. Actuators B. - 2004. - Vol. 101. - P. 81-89.
6. Wu, R.J. Promotive effect of CNT on Co3O4-SnO2 in a semiconductor-typeCO sensor working at room temperature / R.-J. Wu ^t al.] // Sens. Actuators B: Chem. -2008. - Vol. 131. - P. 306-312.
7. Гайдук, Ю.С. Газочувствительная композиция оксида вольфрама c многостенными углеродными на-нотрубками / Ю.С. Гайдук [и др.] // Известия НАНБ. Серия хим. наук. - 2016. - № 1. - С. 12-17.
8. Клячко-Гурвич, А.Л. Упрощенный метод определения поверхности по адсорбции воздуха / А.Л. Клячко-Гурвич // Изв. АН СССР. Серия хим. наук. - 1961. -№ 10. - С. 1884-1886.
9. Гайдук,Ю.С. Влияние добавок благородных металлов на газочувствительные свойства оксида вольфрама, полученного золь-гель методом / Ю.С. Гайдук, А.А. Савицкий // Известия НАНБ. Серия хим. наук. -2015. - № 4. - С. 11-16.
10. Espinoza, E.N. Hybrid metal oxide and multiwall carbon nanotube films for low temperature gas sensing / E.N. Espinoza ^t al.] // Sens. Actuators B: Chem.-2007. - Vol. 127. - P. 137-142.
11. Peng, S. Ab initio study of doped carbon nano-tube sensors / S. Peng, K. Cho // Nano Letters. - 2003. -Vol. 3. - No. 4. - P. 513-517.
12. Kong, J. Functionalized carbon nanotubes for molecular hydrogen sensors / J. Kong, M.G. Chap-line, H. Dai // Advanced Materials. - 2001. - Vol. 13. -No. 18. - Р. 1384-1386.
13. Sumanasekera, G.U. Effects of gas adsorption and collisions on electrical transport in single-walled carbon nanotubes / G.U. Sumanasekera ^t al.] // Physical Review Letters. - 2000. - Vol. 85. - No. 5. - P. 1096-1099.
Micropower gas sensor based on the composition tungsten oxide and multiwall carbon nanotubes
Haiduk Yu.S.1, Reutskaya O.G.2, Savitsky A.A.1, Taratyn I.A.3
'Belorussian State University, Leningradskaya St., 14, 220008, Minsk, Belarus
2Belorussian National Technical University, Yakub Kolas St., 22, 220013, Minsk, Belarus
3Minsk Research Institute of Radiomaterials, Kizhevatov St., 86, 220024, Minsk, Belarus
Received 11.03.2016
Accepted for publication 20.04.2016
Abstract. Gas-sensitive composition of tungsten oxide, prepared by sol gel method, with multiwall carbon nanotubes was investigated by transmission electron microscopy (TEM), measuring the electrical conductivity and surface area. Micro-power sensors (P < 85 mW), containing WO3-MWCNT as a sensing element were manufactured and tested. The greatest sensitivity to propane (< 400 %) was observed at substrate temperature below 200 °C, while appreciable sensitivity to NO2 (> 300 %) was observed at higher temperatures (T ~ 240 °C or higher). Adding MWCNTs has no significant effect on sensitivity to hydrogen around the temperature range studied (current heating 21-75 mA). Gas sensor's sensitivity to NO2 in a certain operating temperature range are more than 1000 %. The investigated gas-sensitive composition of tungsten oxide with MWCNTs is suitable for creating highly sensitive semiconductor sensors for combustible gases and nitrogen dioxide (including equipments for environmental air monitoring). The sensors have a high-speed response and recovery, and low power consumption.
Keywords: gas sensor, sol-gel method, tungsten trioxide, indium oxide, carbon nanotubes.
DOI: 10.21122/2220-9506-2016-7-1-41-49
Адрес для переписки:
Гайдук Ю.С.
Белорусский государственный университет, ул. Ленинградская, 14, 220008, г. Минск, Беларусь e-mail: [email protected]
Address for correspondence:
Haiduk Yu.S.
Belorussian State University, Leningradskaya str., 14, 220008, Minsk, Belarus e-mail: [email protected]
Для цитирования:
Гайдук Ю.С., Реутская О.Г., Савицкий А.А., Таратын И.А.
Газовые датчики на основе композиции оксида вольфрама и
многостенных углеродных нанотрубок.
Приборы и методы измерений.
2016. - Т. 7, № 1. - С. 41-49.
DOI: 10.21122/2220-9506-2016-7-1-41-49
For citation:
Haiduk Yu.S., Reutskaya O.G., Savitsky A.A., Taratyn I.A. [Micropower gas sensor based on the composition tungsten oxide and multiwall carbon nanotubes].
Pribory i metody izmerenij [Devices and Methods of Measurements]. 2016, vol. 7, no. 1, pp. 41-49 (in Russian). DOI: 10.21122/2220-9506-2016-7-1-41-49
References
1. Myasnikov I.A. et al., ed. Kupriyanov L.Y. Polu-provodnikovye sensory v fiziko-khimicheskikh issledovani-yakh [Semiconductor sensors in the physical and chemical research]. Moskow, Nauka Publ., 1991, 327 p. (in Russian).
2. Trojanowicz M. Analytical applications of carbon nanotubes: a review. TrAc Trends Anal. Chem, 2006, vol. 25, pp. 480-489.
3. Roy R.K., Chowdhury M.P., Pal A.K. Room temperature sensor based on carbon nanotubes and nanofibres for methane detection. Vacuum, 2005, vol. 77, pp. 223-229.
4. Peng S.K., Cho K., Qi P., Dai H. Ab initio study of CNT NO2 gas sensor. Chem. Phys. Lett, 2004, vol. 387, pp. 271-276.
5. Wei Bee-Yu, Hsu Ming-Chih, Su Pi-Guey, Lin Hong-Ming, Wu Ren-Jang, Lai Hong-Jen. A novel SnO2 gas sensor doped with carbon nanotubes operating at room temperature. Sens. Actuators B, 2004, vol. 101, pp. 81-89.
6. Wu Ren-Jang, Wu Jhih-Gan, Yu Ming-Ru, Tsai Tung-Kang, Yeh Chuin-Tih Promotive effect of CNT on Co3O4-SnO2 in a semiconductor-type CO sensor working at room temperature. Sens. Actuators B: Chem., 2008, vol. 131, pp. 306-312.
7. Haiduk Yu.S., Savitsky A.A., Strizhakov D.A., Re-utskaya O.G., Taratyn I.A. [Gas-sensitive material based
on composition of tungsten oxide with multiwall carbon nanotubes]. Izvestiya NANB. Seriya khimicheskaya, 2016, no. 1, pp. 12-17 (in Russian).
8. Klyachko-Gurvic A.L. [Simplified method for determining the surface for air adsorption]. Izvestiya ANSSSR. Seriya khimicheskaya, 1961, no. 10, pp. 18841886 (in Russian).
9. Haiduk Yu. S., Savitsky A.A. [Influence of precious metals on gas sensing properties of tungsten oxide, prepared by the sol-gel method]. Izvestiya NANB. Seriya khimicheskaya, 2015, no. 4, pp. 11-16 (in Russian).
10. Espinosa E.H., Ionescu R., Chambon B., Be-dis G., Sotter E., Bittencourt C., Felten A., Pireaux J.-J., Correig X., Llobet E. Hybrid metal oxide and multiwall carbon nanotube films for low temperature gas sensing. Sens. Actuators B: Chem, 2007, vol. 127, pp. 137-142.
11. Peng S., Cho K. Ab initio study of doped carbon nanotube sensors. Nano Letters, 2003, vol. 3, no. 4, pp. 513-517.
12. Kong J., Chapline M.G., Dai H. Functionalized carbon nanotubes for molecular hydrogen sensors. Advanced Materials, 2001, vol. 13, no. 18, pp. 1384-1386.
13. Sumanasekera G.U., Adu C.K.W., Fang S., Eklund P.C. Effects of gas adsorption and collisions on electrical transport in single-walled carbon nanotubes. Physical Review Letters, 2000, vol. 85, no. 5, pp. 1096-1099.
